Спиновый и орбитальный магнетизм в магнитных сверхрешетках на основе Fe

• Автор: Крашенинников, Алексей Петрович
• Шифр специальности: 01.04.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 105 с. : ил.

Глава 1. Обзор литературы

§ 1. Виды наноструктур и их особенности

§ 2. Синтез слоистых наноструктур

§ 3. Структура многослойных пленок

§ 4. Магнитные свойства и особенности транспорта в сверхрешетках

Межслойные обменные взаимодействия

§ 5. Основные методы исследования

Глава 2. Экспериментальные методы

§6. Методика синтеза образцов

§ 7. Рентгеноструктурные исследования

§ 8. Магнитометрические исследования

§ 9. Исследования сверхтонких взаимодействий
ЯГР-спектроскопия
Глава 3. Методика расчета параметров сверхтонких взаимодействий
§ 10. Общие сведения об эффекте Мёссбауэра в Fe
§ 11. Краткий обзор методов обработки спектров эффекта Мессбауэра
§ 12. Методика минимизации функционала у} для Р[Н)
§ 13. Спектральные модели сверхрешеток Fe/Be и Fe/Ag
Глава 4. Магнитные свойства сверхрешеток
Глава 5. Сверхтонкие взаимодействия в MCP Fe/Be и Fe/Ag
Заключение
§ 14. Основные результаты
Благодарности
Список литературы
Проблема изучения различных гетероструктур и объектов пониженной размерности уже около сорока лет является одной из наиболее интересных и важных для фундаментальной науки и приложений. Гетеросистемы позволяют изучать взаимовлияние различных элементов и соединений, эффекты, связанные с переносом заряда и спиновой поляризации через различного рода материалы, а в конечном итоге — получать новые, так называемые «функциональные материалы» и «метаматериалы» с абсолютно новыми свойствами. В низкоразмерных системах становится возможным обнаружение и предсказание новых эффектов, связанных с доминирующей ролью поверхностных энергетических факторов в поведении исследуемой системы.
Уникальные свойства магнитных многослойных гетероструктур позволяют на их основе создавать высокочувствительные датчики магнитных полей на основе эффекта гигантского магнитосопротивления, среды для различных видов магнитной записи информации, а также различные специальные покрытия, обладающие уникальными свойствами в переменных электромагнитных полях.
Цель работы. Диссертационная работа посвящена синтезу и комплексному изучению наноразмерных слоистых гетеросистем на основе Fe с немагнитными прослойками Ag и Ве с переменными толщинами ферромагнитной и немагнитной компонент, а также выяснению характера влияния орбитальных магнитных моментов на основные магнитные свойства данных материалов.
Для этого в работе методом катодного распыления в разряде с осциллирующими электронами (типа Пеннинга) на подложки из оптического покровного стекла и мусковита (слюды) осуществлен синтез систем магнитных сверхрешеток Fe/Be с переменной толщиной слоев Fe: [Fe(7-19Ä)/Be(8Ä)], Fe/Be с переменной толщиной слоев Be: [Fe(10Ä)/Be(4-25Ä)J, [Fe(5Ä)/Be(5-20Ä))] и систем Fe/Ag с переменной толщиной слоев Fe: [Fe(10Ä)/Ag(7-22Ä)] и Fe/Ag с переменной толщиной слоев Ag: [Fe(8-22Ä)/Ag(7Ä)]. Число периодов сверхрешеток изменялось от 70 до 150.
Полученные образцы изучались с применением методов рентгенодифракционного анализа, вибрационной магнитометрии, а также мессбауэровской спектроскопии. Исследованы температурные зависимости намагниченности в магнитном поле в широком диапазоне температур. Получены результаты независимого исследования спектров ферромагнитного резонанса в нескольких образцах MCP Fe/Be.
Актуальность. Синтез и исследование новых магнитных материалов является одной из основных задач современной физики магнитных явлений. Магнитные

материалы на основе бислоев, сэндвичей и мультислоев (сверхрешеток) нашли широкий спектр применений в современной электронной промышленности благодаря таким свойствам, как возможность записи и неразрушающего считывания информации за счет анизотропии обменного взаимодействия, детектирования слабых магнитных полей и их изменений с использованием эффекта гигантского магнито-сопротивления и т. д.
Системы на основе слоистых наноструктур позволяют исследовать такие фундаментальные проблемы физики магнитных явлений, как природа обменного взаимодействия между магнитными слоями через немагнитные (проводящие, полупроводниковые или непроводящие) разделительные слои, различные вопросы экспериментальной проверки предсказаний о магнитных свойствах систем пониженной размерности, изучать принципы формирования обменной анизотропии, магнитных моментов и других ключевых характеристик магнитных материалов. Все это становится возможным благодаря обнаружению таких эффектов как осциллирующий характер величины межслойного обменного взаимодействия, приводящий к осцилляциям основных магнитных параметров в зависимости от толщины немагнитных и, в некоторых случаях, также магнитных слоев; обменное смещение петель гистерезиса в образцах, полученных при росте или охлаждении в магнитном поле, содержащих антиферромагнитные компоненты.
Особый интерес вызывают вопросы участия орбитальных моментов электронов проводимости и атомных оболочек в формировании магнитных свойств слоистых магнитных наноматериалов связи с недавно обнаруженными эффектами гигантской магнитной восприимчивости примесей ЗФпереходных металлов в щелочных матрицах и немагнитных пленок золота с нанесенным тиоловым покрытием (характеристическая тиоловая группа содержит немагнитные элементы серу и водород: -SH), гигантского магнитосопротивления в ультратонких пленках немагнитного бериллия и гигантской анизотропии магнитосопротивления в таких пленках.
Фундаментальной задачей настоящей работы было выяснение соотношения значимостей вкладов спиновой и орбитальной поляризации в полный магнитный момент и намагниченность, наблюдаемую в эксперименте. Для ее решения должен быть проведен комплекс исследований: синтез магнитных сверхрешеток Fe/Be и Fe/Ag с толщинами компонент от 5 Ä до 30 Ä, а также измерения их магнитных свойств, температурных зависимостей намагниченности, изучение локальных магнитных состояний, локальных магнитных моментов ионов и характера косвенного обменного взаимодействия магнитоупорядоченных слоев Fe через немагнитные прослойки Ве и Ag. Исходя из уже известных нам данных о поведении тонких пленок, олигатомных кластеров и отдельных атомов переходных металлов в щелочных
где В(у) - функция, описывающая фоновый уровень поглощения/рассеяния гамма-квантов в канале V с учетом геометрии эксперимента. М, - число отсчетов в канале, соответствующем доплеровской скорости V, №» - среднее (фоновое) число отсчетов в удаленных от резонанса каналах, С - нормирующий коэффициент, а /,б(г|Н) — парциальный секстет, представляющий собой ядро интегрального оператора Фредгольма, по физическому смыслу— вероятность поглощения гамма-кванта мессбауэровского излучения 14,4 кэВ при доплеровской скорости V ядром 57Ре, находящимся в сверхтонком магнитном поле величины Я.
В итоге, данный метод подразумевает решение некорректно поставленной обратной задачи для функций Р(Я) и Ьб[уЯ), представляемых суперпозициями лоренцевских пиков. Нетрудно показать, что без учета изомерного сдвига и квадрупольного расщепления положения пиков в функции /,б(г|Я) определяются константами а,-, связанными с энергиями переходов между первым возбужденным и основным расщепленными вследствие ядерного эффекта Зеемана состояниями:
Калибровка констант а,, позволяющих получить начальное приближение для секстетов поглощения, осуществляется для каждого конкретного источника с использованием эталонного поглотителя — армко-Ре или нитро-пруссида натрия. При этом путем минимизации функционала х2 фиксируются значения а;, учитывающие поправки на изменение электронной плотности на излучающем ядре (изомерный или изотопический сдвиг линий 8~Ъе2- [|у|(0)|2- |н/2(0)|2]-[<Г1в2)-(го2)]) и изменение квадрупольного момента ядра в источнике за счет отклонения структуры окружения от кубической симметрии (квадрупольное расщепление ядерных уровней первого возбужденного состояния <3 ~ е'1 • (1|/|£р=1(32р -Гр2)|у)). В уравнении встречаются похожие обозначения: изомерный сдвиг д и 5,> — дельта-символ Кронекера.
Особенность данного метода в том, что функция плотности распределения Р(Ям) ищется в виде